Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD): Snelle, Gevoelige Bioagent Detectie voor Publieke Veiligheid

Elke ruimte, gesloten of open, kan kwetsbaar zijn voor de dispersie van schadelijke luchtgetragen biologische agenten. Stil en bijna onzichtbaar, kunnen deze bioagenten levende wezens ziek maken of doden voordat stappen genomen kunnen worden om hun effecten te mitigeren. Locaties waar menigten verzamelen zijn primair doelen voor biologische oorlogvoering-aanvallen geëngineerd door terroristen, maar uitgestrekte velden of bossen kunnen slachtoffer zijn van een luchtgebonden bio-aanval.

Onderzoekers hebben de Rapid Agent Aerosol Detector (RAAD) ontwikkeld, een hooggevoelige en betrouwbare trigger voor het

VS-militair vroege waarschuwingssysteem voor biologische oorlogsagenten. De trigger is het sleutelmechanisme omdat zijn continue monitoring van de omgevingslucht op een locatie de aanwezigheid van geaërosoliseerde deeltjes oppikt die bedreigingsagenten kunnen zijn. De trigger stuurt het detectiesysteem om deeltjespecemens te verzamelen en initieert dan het proces om deeltjes te identificeren als potentiële gevaarlijke bioagenten.

De RAAD bepaalt de aanwezigheid van biologische oorlogsagenten via een meerstapsproces. Eerst worden aerosolchen in de detector getrokken door de gecombineerde werking van een aerosolcycloon die hoge-snelheidsrotatie gebruikt om de kleine deeltjes uit te filteren, en een aerodynamische lens die de deeltjes focust in een gecondenseerde (d.w.z. verrijkte) volume, of bundel, van aerosol. Vervolgens creëert een near-infrared (NIR) laser-diode een gestructureerde triggerbundel die de aanwezigheid, grootte en traject van een individueel aerosoldeeltje detecteert. Als het deeltje groot genoeg is om de ademhalingswegen nadelig te beïnvloeden — ruwweg 1 tot 10 micrometers — wordt een 266-nanometer ultraviolette (UV) laser geactiveerd om het deeltje te verlichten en multi-band laser-geïnduceerde fluorescentie wordt verzameld.

Het detectieproces gaat door als een ingebed logische beslissing, aangeduid als de 'spectrale trigger', gebruikt verstrooiing van het NIR-licht en UV-fluorescentiedata om te voorspellen of de samenstelling van het deeltje lijkt te corresponderen met die van een dreigende bioagent. Als het dektje dreigend lijkt, dan wordt spark-induced breakdown spectroscopy geactiveerd om het deeltje te verdampen en atomaire emissie te verzamelen om de elementaire inhoud van het deeltje te karakteriseren.

Spark-induced breakdown spectroscopy is de laatste meetfase. Dit spectroscopiesysteem meet de elementaire inhoud van het deeltje en de metingen omvatten het creëren van een hoge-temperatuur plasma, het verdampen van het aerosoldeeltje, en het meten van de atomaire emissie van de thermisch geëxciteerde toestanden van het aerosol. De meetfasen zijn geïntegreerd in een getrapt systeem dat zeven metingen op elk interessant deeltje biedt. Van de honderden deeltjes die elk seconden het meetproces binnenkomen, wordt een kleine subset geselecteerd voor meting in alle drie de fasen. Het RAAD-algoritme doorzoekt de datastream op veranderingen in de temporele en spectrale kenmerken van de deeltjesset. Als een voldoende aantal dreigende deeltjes gevonden wordt, geeft de RAAD een alarm af dat een biologische aerosolveiligheidsrisico aanwezig is.

Om de detectiebetrouwbaarheid te verbeteren, koos het RAAD-team ervoor om koolstof-gefilterde, HEPA-gefilterde, en gedroogde omhullingslucht en purgelucht (gecomprimeerde lucht die onnodige gassen uwdrukt) rond de optische componenten te gebruiken. Deze benadering zorgt ervoor dat verontreinigingen uit de buitenlucht niet op de optische oppervlakken van de RAAD neerdalen, potentiële gevoeligheidsverlaging of valse alarmen veroorzakend.